CN104316202A - 一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，包括装置硬件部分和测量方法两大块。其中，所述的可用于高温三维测量的装置的硬件部分包括：数据采集模块、数值模拟模块、数据存储和显示模块三大部分；其中，数据采集模块是本装置的核心部分，主要由三维待测场、两个衰减片、两个分光镜、四个滤光片、四个CCD和图像采集卡组成。本发明降低了实验系统的复杂性；仅需90°范围内的数据即可三维重建，更适合于测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限)的实际工业环境；给出了具体实施例和测量结果，为航空航天、激波风洞等特殊领域的高温三维测量奠定了理论和实验基础。

Description

一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光学图像处理、温度场无损检测技术等领域，其主要涉及一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法。

背景技术

温度的精确测量与控制在机械、化工、能源、冶金、航空、航天等领域显得十分重要。目前，被广泛采用的用于温度测量的方法大致可分为两大类，一类是接触式测温，一类是非接触式测温。前者的典型代表是热电偶，这类方法需要测温元件和被测对象直接接触，容易干扰被测场本身的温度分布状态，且温度太高或腐蚀性介质对测温元件的性能和寿命会产生不利影响，故仅适合于低温(约T<2000℃)、非腐蚀性介质等普通应用领域。后者的典型代表是红外热像仪，这类方法无需测温元件与被测对象直接接触，故具有不干扰待测场的优点，且能测量较高温度(约T<4000℃)。但红外热像仪的测量结果容易受到以下因素的影响：自身的参数设定正确与否(如：灵敏度、发射率等)、外界环境状态(如：环境中水蒸气、二氧化碳及微粒粉尘含量大小，目标距离的远近等)、探测器性能退化、制冷器性能及制冷介质纯度等，故存在较大误差，且只适合于直线温度和平面温度的测量，不能用于三维温度场的测量。

近年来，随着CCD等光电探测器件的飞速发展，结合光谱测量及光学层析形成的发射光谱层析(Emission Spectral Tomography，简称EST)引起了人们的极大关注，它具有非接触式测温的所有优点。相比于红外热像仪测温，该方法测量温度范围更大(约T>4000℃)，精度更高，且能实现三维温度场测量。但因存在几个关键技术问题尚未解决，目前仍很难在测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限、被测场不稳定)的复杂工业环境中应用。找到一种可用于实际工况，复杂条件下三维温度场的测量方法，且建立相应的实验装置显得日益迫切。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述问题，本发明结合光谱分析理论和原子物理理论，提出了一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，可用于高温三维测量的正交双波长发射光谱相对强度法，包括硬件设备和软件处理算法，降低了实验系统的复杂性；仅需90°范围内的数据即可重建，更适合于测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限、被测场不稳定)的实际工业环境；给出了具体实施例和测量结果，为航空航天、激波风洞等特殊领域的高温三维测量奠定了理论和实验基础。

(二)技术方案

一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，包括装置硬件部分和测量方法两大块；其中，所述的可用于高温三维测量的装置的硬件部分包括：数据采集模块、数值模拟模块、数据存储和显示模块三大部分；其中数据采集模块负责采集三维待测场的发射光谱图像，数值模拟模块负责对采集到的图像信息进行预处理并三维重建，数据存储和显示模块负责对外输出重建后的数据和图像；其特点是：所述的数据采集模块是本装置的核心部分，主要由三维待测场、两个衰减片、两个分光镜、四个滤光片、四个CCD和图像采集卡组成；为避免环境光或其他因素对测试结果的影响，所有光学元件都被密封在一个精密机械加工的套筒中，并将内壁镀上膜层；其中，斜面上镀分光膜，四个直角通光表面镀宽带多层增透膜，从而提高测量精度。

优选的，所述的衰减片(2-2和2-8)均采用相同厂家、相同型号的中性衰减片，根据三维待测场的温度高低选择衰减比例；

优选的，所述的两个分光镜(2-3和2-9)均采用相同厂家、相同型号的半反射半透射型分光镜；

优选的，所述的四个滤光片(2-4，2-6，2-10和2-12)均采用相同厂家的窄带滤光片，但中心波长不一致；其中，滤光片(2-4和2-10)的中心波长为λ₁，滤光片(2-6和2-12)的中心波长为λ₂；

优选的，所述的四个CCD(2-5，2-7，2-11和2-13)均采用相同厂家、相同型号的面阵CCD，为方便叙述，分别记为CCD1，CCD2，CCD3和CCD4；

优选的，所述的采集卡(2-14)为四路图像采集卡。

进一步的，所述的CCD1(2-5)和CCD3(2-11)构成一组对应于中心波长λ₁的正交光路，夹角为90°；CCD2(2-7)和CCD4(2-13)构成一组对应于中心波长λ₂的正交光路，夹角为90°。

进一步的，所述的数值模拟模块是本装置处理算法的部分，在测量精度要求不高，且待测场温度的情况下，则选择经典的三维重建算法；在测量精度要求高，且待测场不稳定，对实时性要求较高时，则采取多目标优化三维重建算法，同时满足几个优化条件。

进一步的，三维温度场测量步骤如下：

(1)根据CCD1和CCD3采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₁的发射系数ε₁(λ₁,T)；

(2)根据CCD2和CCD4采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₂的发射系数ε₂(λ₂,T)；

(3)根据发射光谱相对强度法，计算出温度场的三维分布；

$\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}\exp \left(\frac{E_2-E_1}{\mathrm{kT}}\right)$

$T=\frac{E_2-E_1}{k(1n\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}+1n\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1})}$

其中，A₁和A₂为所用波长对应的氩原子的跃迁几率，g₁和g₂为所用波长对应的氩原子的统计权重，E₁和E₂为所用波长对应的氩原子的能量，k为玻尔兹曼常数，其具体数值可以通过查表获得。

(4)根据需要，可得到三维待测场任意截面内的温度分布状态。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比较，其具有以下有益效果：本发明可用于高温三维测量的正交双波长发射光谱相对强度法，包括硬件设备和软件处理算法，降低了实验系统的复杂性；仅需90°范围内的数据即可三维重建，更适合于测试条件有限(如：含有遮挡物、观察角有限、被测场不稳定)的实际工业环境；给出了具体实施例和测量结果，为航空航天、激波风洞等特殊领域的高温三维测量奠定了理论和实验基础。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意框图。

图2是本发明系统数据采集模块的结构示意图。

图3是本发明具体实施例的四个面阵CCD采集到的图像信息示意图。

图4是本发明具体实施例的三维重建后的温度场分布示意图。

图5是本发明具体实施例的某截面温度分布网格示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，包括装置硬件部分和测量方法两大块；其中，所述的可用于高温三维测量的装置的硬件部分包括：数据采集模块、数值模拟模块、数据存储和显示模块三大部分；其中数据采集模块负责采集三维待测场的发射光谱图像，数值模拟模块负责对采集到的图像信息进行预处理并三维重建，数据存储和显示模块负责对外输出重建后的数据和图像；

如图2所示，所述的数据采集模块是本装置的核心部分，主要由三维待测场、两个衰减片、两个分光镜、四个滤光片、四个CCD和图像采集卡组成；为避免环境光或其他因素对测试结果的影响，所有光学元件都被密封在一个精密机械加工的套筒中，并将内壁镀上膜层；其中，斜面上镀分光膜，四个直角通光表面镀宽带多层增透膜，从而提高测量精度。

优选的，所述的衰减片(2-2和2-8)均采用相同厂家、相同型号的中性衰减片，根据三维待测场的温度高低选择衰减比例；

优选的，所述的两个分光镜(2-3和2-9)均采用相同厂家、相同型号的半反射半透射型分光镜；

优选的，所述的四个滤光片(2-4，2-6，2-10和2-12)均采用相同厂家的窄带滤光片，但中心波长不一致；其中，滤光片(2-4和2-10)的中心波长为λ₁，滤光片(2-6和2-12)的中心波长为λ₂；

优选的，所述的四个CCD(2-5，2-7，2-11和2-13)均采用相同厂家、相同型号的面阵CCD，为方便叙述，分别记为CCD1，CCD2，CCD3和CCD4；

优选的，所述的采集卡(2-14)为四路图像采集卡。

其中，所述的CCD1(2-5)和CCD3(2-11)构成一组对应于中心波长λ₁的正交光路，夹角为90°；CCD2(2-7)和CCD4(2-13)构成一组对应于中心波长λ₂的正交光路，夹角为90°。

在实施例中，测试对象为氩等离子体电弧，工作电流为80A，工作气流为10L/min；考虑到被测对象的温度特性，中性衰减片的衰减比例为1/1000；根据氩原子的特征谱线，选择λ₁＝696.5nm，λ₂＝763.5nm，窄带滤光片的中心波长分别为696nm和763nm，中心波长误差±2nm，带宽±6nm；面阵CCD的分辨力为800线；图像采集卡采用10bit高清晰图像芯片，且亮度、对比度、色饱和度都软件可调，一旦调整好，在一次完整测试过程中，不得再次调整。

所述的数值模拟模块是本装置处理算法的部分，在测量精度要求不高，且待测场温度的情况下，则选择经典的三维重建算法；在测量精度要求高，且待测场不稳定，对实时性要求较高时，则采取多目标优化三维重建算法，同时满足几个优化条件。

如图3所示，根据CCD1和CCD3采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₁的发射系数ε₁(λ₁,T)；根据CCD2和CCD4采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₂的发射系数ε₂(λ₂,T)；

如图4所示，根据发射光谱相对强度法，计算出温度场的三维分布；

$\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}\exp \left(\frac{E_2-E_1}{\mathrm{kT}}\right)$

$T=\frac{E_2-E_1}{k(1n\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}+1n\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1})}$

其中，A₁和A₂为所用波长对应的氩原子的跃迁几率，g₁和g₂为所用波长对应的氩原子的统计权重，E₁和E₂为所用波长对应的氩原子的能量，k为玻尔兹曼常数，其具体数值可以通过查表获得。

如图5所示，根据需要，可得到三维待测场任意截面内的温度分布状态。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (5)

1.一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，包括装置硬件部分和测量方法两大块；其中，所述的可用于高温三维测量的装置的硬件部分包括：数据采集模块、数值模拟模块、数据存储和显示模块三大部分；其中数据采集模块负责采集三维待测场的发射光谱图像，数值模拟模块负责对采集到的图像信息进行预处理并三维重建，数据存储和显示模块负责对外输出重建后的数据和图像；其特点是：所述的数据采集模块是本装置的核心部分，主要由三维待测场、两个衰减片、两个分光镜、四个滤光片、四个CCD和图像采集卡组成；为避免环境光或其他因素对测试结果的影响，所有光学元件都被密封在一个精密机械加工的套筒中，并将内壁镀上膜层；其中，斜面上镀分光膜，四个直角通光表面镀宽带多层增透膜，从而提高测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，其特征在于：所述的衰减片(2-2和2-8)均采用相同厂家、相同型号的中性衰减片，根据三维待测场的温度高低选择衰减比例；

所述的两个分光镜(2-3和2-9)均采用相同厂家、相同型号的半反射半透射型分光镜；

所述的四个滤光片(2-4，2-6，2-10和2-12)均采用相同厂家的窄带滤光片，但中心波长不一致；其中，滤光片(2-4和2-10)的中心波长为λ₁，滤光片(2-6和2-12)的中心波长为λ₂；

所述的四个CCD(2-5，2-7，2-11和-13)均采用相同厂家、相同型号的面阵CCD，为方便叙述，分别记为CCD1，CCD2，CCD3和CCD4；

所述的采集卡(2-14)为四路图像采集卡。

3.根据权利要求2所述的一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，其特征在于：所述的CCD1(2-5)和CCD3(2-11)构成一组对应于中心波长λ₁的正交光路，夹角为90°；CCD2(2-7)和CCD4(2-13)构成一组对应于中心波长λ₂的正交光路，夹角为90°。

4.根据权利要求1所述的一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，其特征在于：所述的数值模拟模块是本装置处理算法的部分，在测量精度要求不高，且待测场温度的情况下，则选择经典的三维重建算法；在测量精度要求高，且待测场不稳定，对实时性要求较高时，则采取多目标优化三维重建算法，同时满足几个优化条件。

5.根据权利要求1所述的一种可用于高温三维测量的装置及其测量方法，其特征在于：三维温度场测量步骤如下：

(1)根据CCD1和CCD3采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₁的发射系数ε₁(λ₁,T)；

(2)根据CCD2和CCD4采集到的数据，利用多目标优化三维重建算法，重建出对应于λ₂的发射系数ε₂(λ₂,T)；

(3)根据发射光谱相对强度法，计算出温度场的三维分布；

$\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1}{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}\exp \left(\frac{E_2-E_1}{\mathrm{kT}}\right)$

$T=\frac{E_2-E_1}{k(1n\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1({\mathrm{\&lambda;}}_1,T)}{{\mathrm{\&epsiv;}}_2({\mathrm{\&lambda;}}_2,T)}+1n\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{A}_2{g}_2}{{\mathrm{\&lambda;}}_2{A}_1{g}_1})}$

其中，A₁和A₂为所用波长对应的氩原子的跃迁几率，g₁和g₂为所用波长对应的氩原子的统计权重，E₁和E₂为所用波长对应的氩原子的能量，k为玻尔兹曼常数，其具体数值可以通过查表获得。

(4)根据需要，可得到三维待测场任意截面内的温度分布状态。